波浪补偿起重机

波浪补偿起重机液压控制系统设计
摘要
波浪补偿起重机是远洋运输补给船首选的其中设备。

随着我国综合国力的强大和海洋开发的日益增多，海上作业日趋频繁，对钻井平台等深海作业的人员和设备的补给也越来越重要。

而且，随着我国海军力量的强大，海上补给海军不对的补给问题也不容忽视。

为了克服在海上补给船与接收舰船补给货物时波浪运动引起两船相对横移和升沉，对吊装作业造成不利影响，特别是对于一些军用物资，具有极大危险性，绝对不允许这种情况发生，波浪补偿起重机采用了电液比例控制技术。

波浪补偿起重机，通过臂架回转和折臂补偿两船横移，通过安装在臂架上的测量索编码器检测两船的相对升沉，补偿缸驱动补偿绞车使货物与接收舰船甲板间距离的变化，避免货物与甲板突然碰撞而造成损失。

关键词：起重机；波浪补偿系统；液压驱动系统
Design of Hydraulic Control System for Wave
Compensation Crane
Abstract
Wave compensation crane is the first choice of ocean transportation supply ship equipment. With China's comprehensive national strength of the powerful and Marine development of growing, operations at sea is more and more frequent, and deep sea drilling platform to work the personnel and equipment supply is more and more important. And, with a powerful force of the Chinese navy, Marine supply navy wrong supply problems also not allow to ignore. In order to overcome supply ship at sea and to receive the goods supply ship motion causing two ship relative move transversely and Ups and downs, hoisting working to cause adverse effect, especially for some military material, which has a great danger, must not allow this happens, The wave compensation crane electroh-ydraulic proportional control technology. Wave compensation cranes, through the arm frame and folding boom fill turn .
Key words: Cranes; Wave compensation system; Hydraulic drive system
目录
1绪论 (4)
1.1波浪补偿起重机在生产中的作用 (4)
1.2波浪补偿起重机的国内外的现状及发展趋势 (5)
1.3波浪补偿起重机的基本组成 (6)
2波浪补偿起重机臂架的设计 (7)
2.1波浪补偿起重机臂架的设计要求及补偿原理 (7)
3 波浪补偿起重机液压部件的设计 (8)
3.1 波浪补偿起重机主臂液压图及分析 (8)
3.2 波浪补偿起重机副臂液压图及分析 (9)
3.3 波浪补偿起重机绞车起升液压图及分析 (10)
3.4 波浪补偿起重机臂架回转液压图及分析 (11)
3.5 波浪补偿起重机蓄能液压图及分析 (12)
4 波浪补偿起重机驱动系统的设计 (13)
4.1 液压系统总图及分析 (13)
5 液压缸设计 (15)
5.1油缸泄漏与密封问题 (15)
课程设计的体会 (17)
参考文献 (18)
1绪论
1.1波浪补偿起重机在生产中的作用
随着我国综合国力的强大和海洋开发的日益增多，海上作业日趋频繁，对钻井平台等深海作业的人员和设备的补给也越来越重要。

而且，随着我国海军力量的强大，海上补给海军不对的补给问题也不容忽视。

当两船在海上进行货物横向靠帮补给时 ,由于波浪作用 ,两船的横摇 ,纵摇以及升沉引起的相对运动 ,造成下放中的货物与上升的船体发生碰撞 ,或已放落到甲板上的货物由于船体的下沉出现再次悬空的现象 ,同时还将引起起吊绳索的拉力发生很大变化。

为了确保吊装的安全 ,需要使原起重机增加波浪补偿功能。

波浪补偿起重机工作条件多变 ,影响因素多 ,而且对快速响应性 ,适应性都有较高的要求。

波浪补偿起重机的控制系统是整个系统的核心。

良好的控制性能和可操作性是起重机安全作业的前提。

1.2波浪补偿起重机国内外现状及发展趋势
国内外波浪补偿装置的研究动态（1）国内对波浪补偿装置的研究我国在该项研究方面己进行了大量的研究工作．并取得了一系列重要成果。

从国内外现有研究情况看，绝大多数研究工作集中在铅垂补偿方面，水平面内补偿研究较少。

国内现有的补偿起货机的工作原理都是通过测量装置测得两船的相对运动（主要是垂直方向），将该运动的参数转化成绞车的转速变化．从而达到波浪补偿的作用。

起重机防晃是个经典的研究课题，过去人们把注意力集中在起重机上端滑轮上，试图在该位置增设一些附加机构未抑制钢绳的晃动。

但是由于滑轮下
端的钢绳与重物构成一单摆系统，因此只在上端采取措施进行防晃，其效果并不明显。

随着信息技术、机器人技术等相关学科的发展，多学科的交叉与融台，具有更高准确性和可靠性的高性能起重机波浪补偿装置将会出现。

（2）国外对波浪补偿装置的研究关于起重机海浪补偿，国外己进行了大量的研究工作，美国、俄罗斯均已申请了相关方面的专利，许多起重机己得到应用（例如，美国sandia国家实验室为美国海军开发的补给舰起重机）。

国外研究机构主要以美国的研究工作为主导,他们在该方面的研究工作最早是在二战后期开始的，当时还只是停留在理论层次的研究工作。

后期开始转入试验研究，并开发出了一系列具有该功能的起重机（例如，T-ACS系列起重船）。

国外研究机构不仅在垂直方面对波浪补偿进行了研究，而且在三维空问内对波浪补偿系统进行了研究开发。

其中包括对负载的晃动控制、相对高度补偿等。

相应的主动控制策略被用来控制船舶起货机的负载晃动问题的研究已经有50多年的历史了。

为了解决3D货物过驳控制问题，主动式控制必须创造出不会引起货物晃动的过驳轨迹，能够迅速衰减货物的晃动，并且能够补偿由于船舶运动而引起起重机的晃动。

1985年star曾经讨论过开环控制自由晃动的问题。

2002年singh以及2004年kim和singh又迸一步的对该问题进行了讨论。

为防止操作者的操作引起的晃动，sandia国家实验室的parker、dihrman和robinett对在理论上的解决方法进行了讨论。

1995年，parkeretal给出了一个更详细的PCS控制流程图。

1999年，sandia国家实验室研首次在比例为1：16的运动试验台上对3D PCS控制概念进行了证明并且进行了该控制算法的硬件模拟仿真。

之后，在2002年10 月，他们在T-ACS 5型船舶上安装了首台PCS控制系统。

并且将该控制系统与未安装该系统的现有起重机进行了比较，安装该系统的起重机表现明显高与现有起重机。

操作者甚至可以在船舶摇晃角度达到30的情况下进行操作。

Wilson、star、parker与robinett等人提出了一种适应方法来控制一种主动式压电柔性机构。

Masoud、nayfeh以及AI．Mousa在2003年提出了一种循环方法来修正操作者的命令，从而防止货物的晃动。

1.3波浪补偿起重机的基本组成
1—测量所编码器；2—补偿绞车；3—补偿缸；4--起货绞车；5—货物
该波浪补偿起重机的工作方式为综合补偿方式，解决舰船在海上由于波浪浮沉和横移影响货物装卸，系统采用高低双泵加蓄能器油源，有利于能量合理分配与使用。

2波浪补偿起重机臂架的设计
2.1波浪补偿起重机臂架等设计的基本要求
1.液压臂架公称规格1
2.起升高度30m，最小工作半径3m，最大工作半径20m 标记为 Y 12-30*3*20 GB/T 12G2—91
2.起重机的结构设计应符合 GB 3811的第三部分的要求，并满足我国船舶检验局有关规范要求。

3.起重机的设计必须满足在传播横阈5°和倾斜2°同时发生的情况，能安全工作。

4.起升机构应有钢丝绳防松措施。

根据综合补偿方式该波浪补偿起重机工作原理如下：
综合补偿系统是将波浪垂向补偿和横向补偿相结合的海洋吊机。

补偿装置由升沉补偿与防晃系统和位移测量系统组成。

其升沉补偿原理为：由位置测量装置测得起重机末端对目标船横向、纵向和垂向的相对位移增量，用横向和纵向的增量来控制起重机吊钩在水平面内的位移，用垂向的增量来控制海浪补偿油缸的位移。

通过补偿的移动来控制吊钩的位移，最终保持作业船与目标船之间的瞬间相对距离不变，达到垂向补偿的目的。

其防晃原理为：在重力作用下，并联机构对运动的平台具有约束能力，即并联机构内张力的合力总是与外力（外力矩）方向相反，从而达到抑制运动平台相对固定平台晃动的目的。

安装在臂架上的测量绞车用于测量两船垂向的相对位移，与测量索同轴安装旋转编码器，当两船距离增大时，测量索被拉出，编码器正转;当两船距离减小时，测量索自动收紧，编码器反转，PLC对编码器计数从而测量两船相对位移变化。

当两船垂向距离减小时，测量绞车的编码器检测位移变化，控制器采样井经计算后输出比例阀开度信号，控制伺服汕缸伸出，则货物被提升，提升的位移和速度与船距变化的位移和速度相同;而当两船垂向距离增大时，货物也以相同的位移及速度被放卜。

此时，无论船体怎样升沉，货物相对接收船始终是静止的，驾驶员操纵起货绞车，货物以匀速安全地降落到甲板上，从而实现了波浪补偿。

3 波浪补偿起重机液压部件的设计
3.1 波浪补偿起重机主臂液压图及分析
10—三位四通电液比例换向阀；23，24—平衡阀；30—主臂液压缸
主臂液压缸30是由三位四通电液比例换向阀和平衡阀23，24以及液压马达的方向和流量控制的。

当在左位通过时，经过平衡阀24，主臂抬起。

当在右位通过是，经平衡阀23，主臂落下。

其中单向阀的作用是防止因自身重力回油。

为了减少负载变化对控制精度的影响，电液比例控制阀增益及斜率应使用软件进行均衡和调节。

3.2 波浪补偿起重机副臂液压图及分析
11—三位四通电液比例换向阀；25，26—平衡阀；31—副臂液压缸
副臂液压缸31为执行器，由三位四通电液比例换向阀控制它的运动方向和速度。

当在左位通过时，经过平衡阀26，副臂抬起。

当在右位通过是，经平衡阀25，副臂落下。

其中单向阀的作用是防止因自身重力回油。

为了减少负载变化对控制精度的影响，电液比例控制阀增益及斜率应使用软件进行均衡和调节。

3.3 波浪补偿起重机绞车起升液压图及分析
9—三位四通电液比例换向阀；21，22—平衡阀；29—起升绞车液压马达
起升绞车液压马达29为执行器，由三位四通电液比例换向阀控制它的运动方向和速度。

当在左位通过时，经过平衡阀22，马达带动绞车提起重物。

当在右位通过是，经平衡阀23，马达带动绞车放下重物。

其中单向阀的作用是防止因自身重力回油。

为了减少负载变化对控制精度的影响，电液比例控制阀增益及斜率应使用软件进行均衡和调节。

3.4 波浪补偿起重机臂架回转液压图及分析
8—三位四通电液比例换向阀；19，20—平衡阀；28—回转液压马达
回转液压马达28为执行器，由三位四通电液比例换向阀控制它的运动方向和速度。

当在左位通过时，经过平衡阀19，马达顺时针方向回转。

当在右位通过是，经平衡阀20，马达逆时针方向回转。

其中单向阀的作用是防止因自身重力回油。

为了减少负载变化对控制精度的影响，电液比例控制阀增益及斜率应使用软件进行均衡和调节。

3.5 波浪补偿起重机蓄能液压图及分析
7—三位四通电液比例换向阀；13，12—单向节流阀；14，15—液控单向阀；16—单向阀；17—溢流阀；18—单向阀；27—补偿液压缸
补偿液压缸27为执行器，由三位四通电液比例换向阀控制它的运动方向和速度。

当在左位通过时，经过单向节流阀13，补偿液压缸伸出。

当在右位通过是，经平衡阀12，补偿液压缸回缩。

其中单向阀的作用是防止因自身重力回油。

为了减少负载变化对控制精度的影响，电液比例控制阀增益及斜率应使用软件进行均衡和调节。

4 波浪补偿起重机驱动系统的设计
4.1 液压系统总图及分析
1，2—液压泵；3，4—过滤器；5，6—溢流阀；7~11—三位四通电液比例换向阀；12，13—节流阀；14，15—液控单向阀；16，18，33单向阀；17—溢流阀；
19~26—平衡阀；27—补偿液压缸；28—回转液压马达；29—起升绞车液压马达；30—主臂液压缸；31—副臂液压缸
液压执行器为主臂液压缸30，副臂液压缸31，补偿液压缸27，回转液压马达28，起升绞车液压马达29，分别由5个三位四通电液比例换向阀7-11控制他们的运动方向和速度，其中补偿缸采用闭环控制。

系统的油源为低压大流量泵1和高压小流量泵2，各泵吸油口设有过滤精度为8μm的精过滤器3和4，液压泵1和2的供油压力分别由溢流阀5和6调定。

泵1在波浪补偿未启动时为间歇工作制，工作时向回转回路及蓄能器32供油，蓄能器压力达到上限后停泵，回转回路由蓄能器供油，蓄能器压力低于下限时，泵1启动供油，波浪补偿启动后自动转换为连续工作制。

主臂缸30，副臂缸31和起升绞车液压马达29控制回路分别由各回路的电液比例阀和平衡阀控制液压缸及液压马达的方向和流量。

为了减少负载变化对控制精度的影响，上述3个回路电液比例阀控制阀电压的增益及斜率采用软件进行均衡和调节，控制器检测起吊重量及操作手柄的方向，角度和变化速度，根据起吊重量调节系统增益，并使起货，副臂及主臂电液比例阀的增益成线性，减少负载变化的影响。

回转液压马达28和补偿缸27回路分别由各个路的电液比例阀控制其运动方向和速度。

操作杆左右摆动时，回转电液比例阀8经平衡阀19或20驱动回转液压马达28，电平控制曲线呈马鞍形，油泵1直接供油或蓄能器32供油。

高压回路的蓄能器32有两个作用，波浪补偿未启动时，停泵后由蓄能器保压；波浪补偿启动时，用于减小系统冲击，提高响应速度。

波浪补偿电液比例阀为闭环控制，当货物到达卸货区域上方时，启动波浪补偿，货物降落到甲板后，关闭波浪补偿。

5 液压缸设计
5.1油缸泄漏与密封问题
液压传动系统具有体积小、重量轻、比功率大、运行平稳、可无级调速等优点，在各种起重机上得到广泛应用。

但液压传动系统的传动效率低于其他传动系统，易产生故障且故障的分析和排除比较困难。

因此，要求使用维护人员具备一定的液压系统基本知识
工程机械液压系统的泄漏主要有两种，固定密封处泄漏和运动密封处泄漏，固定密封处泄漏的部位主要包括缸底、各管接头的连接处等，运动密封处主要包括油缸活塞杆部位、多路阀阀杆等部位。

从油液的泄漏上也可分为外泄漏和内泄漏，外泄漏主要是指液压油从系统泄漏到环境中，内泄漏是指由于高低压侧的压力差的存在以及密封件失效等原因，使液压油在系统内部由高压侧流向低压侧。

制造和装配因素
（1）制造因素
所有的液压元件及密封部件都有严格的尺寸公差、表面处理、表面光洁度及形位公差等要求。

如果在制造过程中超差，例如：油缸的活塞半径、密封槽深度或宽度、装密封圈的孔尺寸超差或因加工问题而造成失圆、本身有毛刺或有洼点、镀铬脱落等，密封件就会有变形、划伤、压死或压不实等现象发生使其失去密封功能。

（2）装配因素
液压元件在装配中应杜绝野蛮操作，如果过度用力将使零件产生变形，特别是用铜棒等敲打缸体、密封法兰等；装配前应对零件进行仔细检查，装配时应将零件蘸少许液压油，轻轻压入，清洗时应用柴油，特别是密封圈、防尘圈、O形圈等橡胶元件，如果用汽油则使其易老化失去原有弹性，从而失去密封机能。

影响泄漏的原因
（1）密封件的选择
液压系统的可靠性，在很大程度上取决于液压系统密封的设计和密封件的选择，由于设计中密封结构选用不合理，密封件的选用不合乎规范，在设计中没有考虑到液压油与密封材料的相容型式、负载情况、极限压力、工作速度大小、环境温度的变化等。

这些都在不同程度上直接或间接造成液压系统泄漏。

另外，由于工程机械的使用环境中具有尘埃和杂质，所以在设计中要选用合适的防尘密封，避免尘埃等污物进入系统破坏密封、污染油液，从而产生泄漏。

（2）其他设计原因
设计中考虑到运动表面的几何精度和粗糙度不够全面以及在设计中没有进行连接部位的强度校核等，这些都会在机械的工作中引起泄漏。

油液污染及零部件的损伤
（1）气体污染
在大气压下，液压油中可溶解10％左右的空气，在液压系统的高压下，在油液中会溶解更多的空气或气体。

空气在油液中形成气泡，如果液压支架在工作过程中在极短的时间内，压力在高低压之间迅速变换就会使气泡在高压侧产生高温在低压侧发生爆裂，如果液压系统的元件表面有凹点和损伤时，液压油就会高速冲向元件表面加速表面的磨损，引起泄漏。

（2）颗粒污染
液压油缸作为一些工程机械液压系统的主要执行元件，由于工作过程中活塞杆裸露在外直接和环境相接触，虽然在导向套上装有防尘圈及密封件等，但也难免将尘埃、污物带入液压系统，加速密封件和活塞杆等的划伤和磨损，从而引起泄漏，颗粒污染为液压元件损坏最快的因素之一。

（3）零件损伤
密封件是由耐油橡胶等材料制成，由于长时间的使用发生老化、龟裂、损伤等都会引起系统泄漏。

如果零件在工作过程中受碰撞而损伤，会划伤密封元件，从而造成泄漏。

课程设计心得体会
通过本次液压系统课程设计，我们学到了许多书本上永远都学不到的知识，这次设计使我们真正的明白了书本中的知识的内涵。

在设计开始时，我们到图书馆借书，大家都有很大的热情，每个人都借好几本书，然后我们聚集到一起开始设计。

在设计中，我按照任务书一步一步地分析、查资料，根据具体要求选择元件、设计回路。

我们将理论和实际联系在一起，这样我们的对课本知识的记忆就更加深刻了，而且也对课本有了更详细的阅读，并且在以后的学习和生活中我们可以灵活运用这些知识，
这次液压系统课程设计锻炼了我们动手的能力，教会了我们如何查阅资料，并且培养了我们科学严谨的学习态度。

这次设计使我们不仅弥补了平时理论知识的不足，还使我们领悟到许多做人处事的道理，比如团结就是力量，关键时间见真情，设计要求我们和谐一致的配合.。

首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。

同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。

最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学
参考文献
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[2]．陈奎生《液压与气压传动》武汉：武汉理工大学出版社，2001.8
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[5].张利平《液压气动系统设计手册》北京：机械工业出版社,1997.9
[6].左健民主编，《液压与气压传动》，北京：机械工业出版社,2000.06
[7].张利平《液压控制系统及设计》北京：化学工业出版社，2006.6
[8].朱梅朱光力编著，《液压与气动技术》，西安电子科技大学出版社，2004.6
[9].张利平《液压传动系统设计与使用》北京：化学工业出版社，2010.4
[10].雷天觉主编《液压工程手册》北京：机械工业出版社，1990
[11]．李壮云，葛宜远主编《液压元件与系统》北京：机械工业出版社，1999。